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Wartungssicherheit lässt sich speziell bei rotierenden Maschinen erhöhen

Wartung muss sein – aber nur mit einer effizienten Strategie

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Regelmäßig, reaktiv oder vorbeugend: Die Wahl der richtigen Wartungsstrategie schlägt sich deutlich in den zu erwartenden Kosten nieder. Klarer Favorit ist die vorbeugende Wartung, mit der sich der Anlagenzustand detailliert erfassen und analysieren lässt, so dass die Wartung im richtigen Moment erfolgen kann. Von Vorteil ist dabei, wenn die Steuer- und Regelsysteme auf derselben Plattform wie die Messdatenerfassung aufsetzen. NI bietet das mit der CompactRIO-Plattform.

Der Autor: Brian Phillippi, Product Marketing Manager, NI

Mit dem täglichen Zähneputzen und dem jährlichen Check beim Zahnarzt folgen wir Menschen einem regelmäßigen Wartungsprogramm, um unsere Zähne so gut wie möglich im Originalzustand zu erhalten. Analog dienen regelmäßige Wartungsprogramme im Maschinen- und Anlagenbau dazu, die Effizienz zu erhalten und teure Reparaturen zu vermeiden. Der Haken dabei: In der Regel sind die Kosten für diese Wartungsprogramme höher als diejenigen, die anfallen, wenn die Maschine einfach bis zum Ausfall betrieben wird. Und obwohl sich die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls durch eine geplante Wartung verringern lässt, ist es nicht ausgeschlossen, dass dennoch ein unvorhergesehener oder sogar schwerwiegender Ausfall eine Maschine stoppt. Die Frage ist also, ob es einen besseren Weg gibt, die Lebensdauer einer Maschine zu verlängern – denn letztlich geht es nicht zuletzt auch um Fragen der Sicherheit und Aspekte wie Gesundheit, Arbeitssicherheit und Umweltschutz.
Unter anderem mit Blick auf rotierende Maschinen hat National Instruments (NI) deswegen 2014 die Online-Zustandsüberwachungslösung InsightCM Enterprise vorgestellt: Über die effiziente Erfassung aller relevanten Daten – bei Daten aus der physikalischen Welt spricht NI hier von ‚Big Analog Data‘ – kann der Anwender damit Einblicke in den jeweils aktuellen Anlagenzustand und die ablaufenden Prozesse gewinnen. InsightCM Enterprise basiert auf über 15 Jahren Erfahrung auf dem Gebiet der Zustandsüberwachung und baut auf dem industriellen Internet der Dinge (Industrial Internet of Things – IIoT) auf. Das Tool erfasst und analysiert Sensorinformationen, erzeugt Alarme und ermöglicht es Wartungsspezialisten, Maschinenstörungen dezentral zu diagnostizieren. Zum Einsatz kommen dabei Zustandsüberwachungssysteme, die auf der Hardwareplattform CompactRIO (rekonfigurierbare I/Os, siehe Kasten) basieren und Daten einer Vielzahl von Sensoren erfassen können, um bessere Fehlerdiagnosen zu gewährleisten. Diese Hard- und Softwarelösung vereinfacht die Konfiguration und die Messdatenerfassung von tausenden Sensoren. Vorteile sind:
  • Kosteneffizienz: niedrigere Kosten für Messgeräte, die der Überwachung kritischer Anlagenkomponenten des gesamten Maschinenparks dienen
  • Offenheit: Bereitstellung einer offenen Softwarearchitektur für den Zugang zu Daten und die Steigerung der Interoperabilität mittels Unternehmenssoftwarepaketen von Drittanbietern
  • Skalierbarkeit: von einem bis zu hunderten von Knoten pro NI-InsightCM-Enterprise-Server sowie der Replikation einer Lösung in mehreren Anlagen
  • Flexibilität: Integration von CompactRIO zum Anpassen an wechselnde Sensoranforderungen bei gleichzeitigem Bewahren der Investition des Anwenders in die Plattform
Um nachzuvollziehen, welche Kosten mit der Wartung rotierender Maschinen einhergehen, hat das amerikanische Electric Power Research Institute (EPRI) mit Blick auf die Ölförderung vergleichbare Wartungskosten für verschiedene Methoden in US-Dollar pro Leistungseinheit (in diesem Fall PS) und Jahr errechnet. Für Ölproduzenten sind das aufgrund der starken Schwankungen des Ölpreises schwierige Zeiten – umso wichtiger ist es, Effizienz und Durchsatz der Förderung deutlich zu erhöhen unter gleichzeitiger Beachtung der Aspekte Gesundheit, Arbeitssicherheit und Umweltschutz. Da Pumpen und rotierende Maschinen eine entscheidende Rolle in Erdöl- und Erdgasanlagen spielen, kann dies beispielsweise durch eine längere Betriebszeit der Ausrüstung erreicht werden.
Ein Drittel der Kosten ist ‚vergeudet‘
Die Forscher fanden heraus, dass eine regelmäßige Wartungsstrategie hinsichtlich der Ausführung mit 24 US-Dollar pro PS am teuersten ist. Eine reaktive Wartungsstrategie (Betrieb bis zum Ausfall) folgt an zweiter Stelle mit Kosten von 17 US-Dollar pro PS – enthält jedoch nicht die zusätzlichen Kosten für die Arbeitssicherheit. Hier lässt sich eine Parallele zu den bei der Förderung eingesetzten Pumpen ziehen: Ein Motor mit 1500 PS würde Kosten von etwa 36.000 US-Dollar pro Jahr verursachen, während eine reaktive Wartungsstrategie laut der EPRI-Studie 25.500 US-Dollar pro Jahr kosten würde. Das scheint zunächst nicht viel zu sein. Wird diese Zahl jedoch mit der Anzahl der Fördertürme der gesamten Flotte (1500) multipliziert, schnellen die Kosten für einen regelmäßigen Wartungsplan auf 54 Millionen US-Dollar und für eine reaktive Strategie auf 38 Millionen US-Dollar pro Jahr in die Höhe. Diese Zahlen summieren sich und verdeutlichen so, weshalb die Maschinenwartung ein solch bedeutendes Thema ist. Maschinen müssen nicht nur gewartet werden – es muss vor allem eine effiziente Strategie für die Wartung geben. Daraus ist bereits ein so wichtiges Thema geworden, dass laut Forbes Magazine „einer von drei Dollar, der für vorausschauende Instandhaltung ausgegeben wird, vergeudet wird“. Ein Blick auf die Wartungskosten von großen Anlagen in einer Flotte kann hier ein Verständnis für die Kosten der Maschinenwartung vermitteln. Doch dies ist nur die Spitze des Eisbergs, wenn es um die tatsächlichen Kosten für das fehlerhafte Verwalten von Maschinen geht.
Um die tatsächlichen Kosten zu bestimmen, muss das Problem auf Produktionsebene betrachtet werden. Eine Pumpe zu reparieren kann 36.000 US-Dollar kosten und die Kapitalkosten für eine neue Drei- oder Fünffachpumpe können auf bis zu 350.000 US-Dollar ansteigen. Der tatsächliche Verlust liegt allerdings in der ausgefallenen Förderung. In der Erdöl- und Erdgasindustrie besteht ein direkter Zusammenhang zum Endgewinn eines Erdölunternehmens, da der Kapitalfluss direkt an die Öl- und Gasproduktion gekoppelt ist. Wird eine Bohrung an einem Bohrplatz gestoppt, hört buchstäblich auch der mit dem Bohrloch zusammenhängende Kapitalfluss auf. Dieser Effekt verstärkt sich, wenn die Betriebskosten für Bohrtrupps vor Ort in Betracht gezogen werden. Aus diesem Grund ist Zuverlässigleit entscheidend und die Unternehmen gehen sogar so weit, einige Reservelastwagen für den Notfall einzuplanen, da sie nicht wissen, ob ihre Pumpe ausfallen wird, auch wenn sie gerade erst gewartet wurde. Das macht deutlich, warum es so interessant ist, eine bessere Strategie zu entwickeln als darauf zu hoffen, dass Maschinen nicht ausfallen und Ersatzteile für diesen Fall mitzunehmen.
Die Forscher der EPRI-Studie fanden heraus, dass eine vorbeugende Wartungsstrategie nur Kosten von 9 US-Dollar pro PS verursacht und dabei zusätzlich alle Risiken – bis auf Folgeschäden durch schwerwiegende Ausfälle – ausgeschlossen werden. Dabei ist zu beachten, dass eine vorbeugende Wartungsstrategie Sicherheitssysteme nicht ersetzen kann und soll, sondern vielmehr Hand in Hand mit der Sicherheitsstrategie gehen sollte. Eine in diesem Sinne vorbeugende Wartungsstrategie ermöglicht es, vorab zu erkennen, wann eine Maschine ausfallen wird, so dass eine Wartung genau dann durchgeführt werden kann, wenn die Förderung nicht beeinträchtigt wird. Das geht aber nur, wenn durch kontinuierliche Messungen und Analysen das Bedienpersonal voraussagen kann, wann Maschinen nicht mehr einwandfrei funktionieren, um sie rechtzeitig zu reparieren. Entscheidend ist, dass dazu nicht mehr in regelmäßigen Abständen ‚auf gut Glück‘ getestet werden muss, welches Bauteil ausfallen könnte.
Plattformbasierter Ansatz steigert Effizienz
Neben der Schulung des Bedienpersonals ist eine vorbeugende Wartung letztlich eine Frage der zum Einsatz kommenden Tools. Entsprechende Systeme sind bereits in Teilen vorhanden und können von Anlage zu Anlage variieren. Allerdings: Fügt man hier nun separate Zustandsüberwachungssysteme hinzu, steigern sich auch die Ineffizienzen, die sich aus all diesen unterschiedlichen Werkzeugen ergeben. Effizienter ist deshalb ein plattformbasierter Ansatz, der sowohl für die Steuerung als auch die vorbeugende Wartung vor Ort eingesetzt werden kann. Damit kann dieselbe Hard- und Software für all diese Aufgaben im ganzen Unternehmen genutzt werden. Der Vorteil für den Anwender: Die Wartung wird effizienter und auch das Bedienpersonal muss sich nur auf ein System einstellen. Zudem kann ein Netzwerk aus ähnlichen Geräten erstellt werden, die miteinander kommunizieren und mit dem sich Trends auf Unternehmensebene erkennen lassen.
Eine derartige Plattform findet sich im softwaredesignten NI-CompactRIO-Controller, der auf der NI Labview RIO Architecture basiert (siehe Kasteninfo). Diese Architektur integriert einen Echtzeitprozessor nahtlos mit einem anwenderprogrammierbaren FPGA und modularen I/Os, die mit der Systemdesignsoftware Labview programmiert werden. Anwender können auf diese Weise ihre Algorithmen in Hardware integrieren, was einem benutzerdefinierten Design mit FPGAs ähnelt. Sie können mit diesem Ansatz Steuer-, Regel- und Überwachungssysteme erstellen, die individuell auf ihre Anwendungen abgestimmt sind und dabei genug Flexibilität mitbringen, um großflächig eingesetzt werden zu können. Das gilt speziell auch für Anwendungen im IIoT: „Während das industrielle Internet der Dinge immer mehr die Art und Weise beeinflusst, wie die Welt intelligente Systeme vernetzt, mit ihnen kommuniziert und sie optimiert, stehen Embedded-Entwickler immer neuen Anforderungen an Netzwerke, Leistung und Sicherheit sowie dem zunehmenden Druck gegenüber, Produkte schneller in den Markt einzuführen und die Entwicklungskosten zu senken“, erläutert Jamie Smith, Director of Embedded Systems bei NI. „Die Labview RIO Architecture bildet eine umfassende Plattform, mit der Anwender Embedded-Systeme schnell entwickeln, einen Prototyp erstellen und diese letztlich zum Einsatz bringen können, um damit anspruchsvolle Steuer-, Regel- und Überwachungsanwendungen im industriellen Internet der Dinge zu entwickeln.“
Ein Unternehmen, das diesen plattformbasierten Ansatz für die Wartung und Förderung von Bohrlöchern nutzt, ist Lime Instruments im texanischen Houston. Mit Hilfe der umfangreichen Hard- und Softwareplattform von NI konnte das Unternehmen jeden Bestandteil der Ausrüstung und Maschinen steuern und überwachen, der in der Branche üblicherweise eingesetzt wird. Lime Instruments verwendet ein höchst zuverlässiges Steuer- und Regelsystem, das Daten einer Vielzahl von Sensoren erfasst, Hochgeschwindigkeitsanalysen durchführt und die Daten über das Kommunikationsprotokoll SAE J1939 zurück an eine zentrale Verteilerstelle überträgt. Das zeigt: Ein plattformbasierter Ansatz kann Anwender dabei unterstützen, aktuelle und zukünftige Anforderungen zu erfüllen und ein Netzwerk aus Systemen für die vorbeugende Wartung einzusetzen. In diesem Netzwerk fließen Informationen in Echtzeit – damit die Maschinen länger und effizienter betrieben werden können. co

INFO & KONTAKT

National Instruments Germany GmbH
München
Tel. +49 89 7413130
ni.com/germany
Weitere Informationen zu neuesten Erweiterungen der NI-Plattform für Embedded-Systeme:
http://t1p.de/2300

AKTUELL von der NI Week
Im August 2015 hat National Instruments (NI) anlässlich der NI Week im texanischen Austin neue CompactRIO-, FlexRIO- und Single-Board-RIO-Controller für Steuer- und Regelsysteme der nächsten Generation für das industrielle Internet der Dinge auf den Markt gebracht. Herzstück bleiben dabei die offene, flexible und rekonfigurierbare I/O-Technologie (RIO) und die Programmierung mittels der Systemdesignsoftware Labview. Unterstützt werden die Controller auch von dem Labview FPGA Module und NI Linux Real-Time – die neue Version von NI Linux Real-Time basiert nun auf Security-Enhanced Linux, mit dem ergänzende Sicherheitsfunktionen für Anwendungen aus dem Bereich des industriellen Internets der Dinge ermöglicht werden. Zu den Neuheiten zählt ein leistungsfähiger CompactRIO-Controller für Integratoren, die Anwendungen unter rauen Bedingungen im industriellen Umfeld erstellen. Außerdem wurden ein FlexRIO-Controller für Entwickler mit hohen Anforderungen in Embedded-Anwendungen sowie ein Single-Board-RIO-Controller vorgestellt, der Entwicklern mehr Flexibilität bei ihren Embedded-Anwendungen ermöglicht. Diese Controller integrieren die neuesten Embedded-Technologien von Intel und Xilinx.
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